果蔬凍干水分在線無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張鶴嶺，郭玉明,張建華

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷　030800)

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果蔬凍干水分在線無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張鶴嶺，郭玉明,張建華

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷030800)

摘要：果蔬真空冷凍干燥技術(shù)的應(yīng)用推廣，進(jìn)行低能耗凍干工藝優(yōu)化具有著重要意義。果蔬凍干工藝優(yōu)化中關(guān)鍵技術(shù)是果蔬凍干水分的在線監(jiān)測(cè)，筆者對(duì)此進(jìn)行了廣泛深入的探索；介紹了基于介電方法的果蔬凍干水分無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，基本思路是：無(wú)線采集果蔬凍干過(guò)程的相對(duì)介電常數(shù)，利用實(shí)驗(yàn)測(cè)取的果蔬介電常數(shù)與凍干過(guò)程的含水率相關(guān)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)果蔬凍干過(guò)程含水率在線檢測(cè)；在凍干倉(cāng)內(nèi)利用集成電容轉(zhuǎn)換芯片對(duì)插入果蔬內(nèi)部的電極探針間電容進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)ZigBee收發(fā)芯片無(wú)線采集測(cè)量結(jié)果，并通過(guò)上機(jī)軟件將電容測(cè)量值轉(zhuǎn)換為相對(duì)介電常數(shù)；在不同溫度下對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，保證在凍干倉(cāng)內(nèi)加熱溫度下介電常數(shù)的在線精確測(cè)量。同時(shí)，以蘋果和土豆為試材的試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：含水率與相對(duì)介電常數(shù)有極顯著的線性正相關(guān)性，無(wú)線在線檢測(cè)果蔬凍干過(guò)程含水率可行。

關(guān)鍵詞：果蔬；凍干水分；相對(duì)介電常數(shù)；無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置

0引言

真空冷凍干燥技術(shù)很好地保持了農(nóng)產(chǎn)品物料的營(yíng)養(yǎng)、形態(tài)和品質(zhì)，在農(nóng)產(chǎn)品干燥加工領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注；但由于耗時(shí)長(zhǎng)、加工能耗大，致使加工成本高成為制約其發(fā)展的主要因素[1]。探索低能耗凍干加工工藝，需針對(duì)凍干過(guò)程進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凍干物料的含水率，目前對(duì)于凍干過(guò)程物料水分在線監(jiān)測(cè)的方法主要有壓力升高法、稱重法、濕度傳感器法及核磁共振法等[2]。Tang等人[3]基于動(dòng)壓溫度法計(jì)算水分對(duì)事件的變化率，進(jìn)而計(jì)算失水量；但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該方案對(duì)凍干箱的密封性有嚴(yán)格要求，而生產(chǎn)環(huán)境中漏率是一個(gè)不確定值。崔清亮等[4]利用稱重法，設(shè)計(jì)了基于可重組虛擬儀器的凍干物料含水率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；但傳感器受溫度影響較大，測(cè)量精度和穩(wěn)定性待解決。Roy 等人[5]使用Al2O3 薄膜設(shè)計(jì)了濕度傳感器，但該傳感器無(wú)法消毒且價(jià)格昂貴。Hjalre等人[6]應(yīng)用近紅外成像技術(shù)分析了凍干果蔬的含水率，但該技術(shù)不能在線監(jiān)測(cè)凍干過(guò)程。徐建國(guó)等人[7]利用核磁共振法實(shí)現(xiàn)了蘿卜水分的在線分析，但作為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需要更快的圖像協(xié)議，難以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

與以上監(jiān)測(cè)方法相比，筆者研究的基于介電特性的含水率監(jiān)測(cè)方法具有簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、無(wú)損傷、可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)[8]，但利用介電特性檢測(cè)含水率應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品凍干加工還較少。Cuibus等[9]以土豆為試材證明了可根據(jù)介電特性優(yōu)化凍干過(guò)程。Grace等[10]在凍干試驗(yàn)中建立了基于含水率和溫度計(jì)算介電常數(shù)的模型。因此，本文嘗試在特定溫度下，基于果蔬相對(duì)介電常數(shù)檢測(cè)其含水率。具體過(guò)程為：運(yùn)用電容法測(cè)定相對(duì)介電常數(shù)，在工作倉(cāng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳感器連續(xù)在線監(jiān)測(cè)果蔬的相對(duì)介電常數(shù)；設(shè)計(jì)無(wú)線傳輸接受介電信號(hào)裝置，并利用實(shí)驗(yàn)建立的相對(duì)介電常數(shù)與含水率之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)無(wú)線在線監(jiān)測(cè)果蔬凍干過(guò)程含水率。

1材料與方法

1.1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

基于介電法的果蔬凍干水分無(wú)線實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)包括測(cè)量裝置、上位機(jī)軟件和收發(fā)器。測(cè)量裝置包括電容傳感器、溫度傳感器和ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，分別用于測(cè)量相對(duì)介電常數(shù)、監(jiān)測(cè)凍干箱內(nèi)溫度、發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，如圖1所示。上位機(jī)軟件用于對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、顯示、保存。收發(fā)器包括ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和串口轉(zhuǎn)USB電路，用于建立測(cè)量裝置與上位機(jī)軟件之間的通信，如圖2所示。

1.2測(cè)量裝置

1.2.1電容傳感器

電容法測(cè)量相對(duì)介電常數(shù)已被廣泛使用，具有低成本、低能耗、適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文采用該方法設(shè)計(jì)介電常數(shù)測(cè)量裝置，裝置包括電容探針、電容檢測(cè)模塊及AD轉(zhuǎn)換模塊。

1)電容探針。電容法一般采用平板電容器，但平行板電容器不僅受磁場(chǎng)影響較大而且影響干燥速率。本文設(shè)計(jì)了基于探針式電容器的介電常數(shù)測(cè)量裝置，探針采用直徑1.3mm、長(zhǎng)11mm的鐵釘，兩鐵釘之間的距離為10mm。探針模型如圖3所示。

圖1　測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2　收發(fā)器機(jī)構(gòu)圖

圖3　探針模型圖

2)電容檢測(cè)模塊。根據(jù)測(cè)量原理不同，電容檢測(cè)電路設(shè)計(jì)方案主要有交流電橋法、差動(dòng)脈寬調(diào)制法、調(diào)頻法、電荷法和運(yùn)算放大器法。相比其他方案，電荷法具有更高的靈敏度、穩(wěn)定性和分辨率，特別適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。

差分式開(kāi)關(guān)電容電路是電荷法的一種實(shí)現(xiàn)電路，如圖4所示。當(dāng)S1閉合、S2斷開(kāi)時(shí)，C2充電，C1和Cf放電，運(yùn)算放大器負(fù)輸入端的電荷量等于C2儲(chǔ)存電荷Q1=VIn·C2；當(dāng)S2閉合、S1斷開(kāi)時(shí)，C2放電，C1和Cf充電，運(yùn)算放大器負(fù)輸入端的電荷量等于C1和Cf儲(chǔ)存電荷Q2=VIn·C1+VO·Cf。利用電荷守恒定律得知Q1=Q2，得到輸出電壓為

(1)

圖4　差分式開(kāi)關(guān)電容電路

上述電路中求得的公式假定開(kāi)關(guān)和運(yùn)算放大器為理想情況，但開(kāi)關(guān)不可避免地存在延遲，造成輸出電壓有噪音。本文采用基于該電路設(shè)計(jì)的集成電容檢測(cè)芯片MS3110進(jìn)行電容檢測(cè)，使用其集成了低通濾波電路消除高頻開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的干擾。運(yùn)算放大器總是存在缺陷，使其虛地效果不理想，輸入端產(chǎn)生失調(diào)電壓，造成輸出電壓中引入偏置電壓。為增加電容測(cè)量的準(zhǔn)確度，芯片集成了電壓補(bǔ)償電路。

差分式開(kāi)關(guān)電容電路將電容的變化量轉(zhuǎn)換為電壓的變化量，后經(jīng)過(guò)低通濾波電路與信號(hào)增益電路的處理，得到與電容變化量成正比的電壓信號(hào)。MS3110的原理框圖如圖5所示。

圖5　MS3110原理圖

芯片在集成了增益和補(bǔ)償之后，電容-電壓轉(zhuǎn)換公式為

(2)

其中，GAIN為內(nèi)部可調(diào)增益，可配置為2或4，本系統(tǒng)配置為GAIN=2V/V；V2P25為芯片參考電壓，默認(rèn)值為2.25V，為保證芯片的精準(zhǔn)測(cè)量，需要配置寄存器使得V2P25保持在2.24～2.26V；CS1T=CS1，CS2T=CS2+CIN；VREF可配置為0.5/2.25V，本系統(tǒng)配置為0.5V。

果蔬凍干試驗(yàn)中，電容變化范圍為0.2～5pF，為滿足量程需要的前提下提高精度，配置芯片寄存器使本系統(tǒng)檢測(cè)范圍為0～7pF。

3) AD轉(zhuǎn)換。MS3110的電容分辨率達(dá)到4aF/rtHz，但只有配合高分辨率的AD轉(zhuǎn)換芯片才能達(dá)到高精度測(cè)量。本文采用ADI公司的高精度、工業(yè)級(jí)A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7710，該芯片采用Δ-Σ技術(shù)實(shí)現(xiàn)24位無(wú)失碼。凍干試驗(yàn)環(huán)境溫度不穩(wěn)定，但芯片的自校準(zhǔn)模式能夠有效消除溫漂的影響，從而消除零點(diǎn)和滿量程誤差。

本文采用精密且微功率電壓參考芯片REF194作為AD7710的基準(zhǔn)電壓輸入端。REF194采用專用的溫度漂移曲率校正電路、高穩(wěn)定的激光微調(diào)和薄膜電阻等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)極低溫度系數(shù)和極高的精準(zhǔn)度。

1.2.2溫度傳感器

在凍干初期階段，凍干箱內(nèi)溫度不斷升高，果蔬介電特性受溫度影響較大。本文目的是在凍干箱溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，找到果蔬相對(duì)介電常數(shù)與其含水率之間的關(guān)系，因此測(cè)量裝置包括溫度傳感器。

DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一線式數(shù)字溫度測(cè)量芯片，僅有一根數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，溫度變化功率也來(lái)源于數(shù)據(jù)總線。其總線本身可以向所掛接的DS18B20供電，本文提供了3.3V的外部供電以保障芯片穩(wěn)定工作；溫度傳感器的測(cè)量范圍為-55 ～ +125oC，固有的測(cè)溫分辨率為0.5oC，適用于凍干實(shí)驗(yàn)。

1.2.3ZigBee終端節(jié)點(diǎn)

為給凍干廠商提供更為方便、快捷的在線檢測(cè)含水率方案，采用了具有自組網(wǎng)、低功耗、低成本、短延遲的ZigBee技術(shù)。Chipcon公司應(yīng)用于ZigBee技術(shù)的片上系統(tǒng)CC2530是一款高性能單片機(jī)，結(jié)合該公司配套的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IAR使得ZigBee開(kāi)發(fā)更加快捷。CC2530集成了性能優(yōu)良的ZigBee收發(fā)器、增強(qiáng)型8051CPU、可編程閃存、8-KB RAM 和許多其他強(qiáng)大的功能。另外，CC2530具有完全集成的壓控振蕩器，因此設(shè)計(jì)CC2530無(wú)線模塊只需要天線、晶振等少量的外圍電路元器件就能在2.4GHZ的頻段上工作。傳感器模塊的各元件的連接圖如圖6所示。

圖6　傳感器模塊電路原理圖

1.3收發(fā)器和上位機(jī)軟件

收發(fā)器從測(cè)量裝置接收試驗(yàn)數(shù)據(jù)并通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB電路將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。收發(fā)器也采用CC2530，作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，硬件電路與終端節(jié)點(diǎn)相同。收發(fā)器采用串口轉(zhuǎn)USB芯片CH340實(shí)現(xiàn)了CC2530與上位機(jī)通信，電路原理圖如圖7所示。上位機(jī)軟件是基于面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)軟件VB6.0開(kāi)發(fā)。上位機(jī)軟件通過(guò)對(duì)接收數(shù)據(jù)的反算，得到相應(yīng)的電容值、相對(duì)介電常數(shù)和溫度。軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)讀取、處理、存儲(chǔ)和顯示。

圖7　CH340鏈接圖

1.4性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)在應(yīng)用于凍干實(shí)驗(yàn)之前，需要評(píng)估其電容傳感器測(cè)量精度。在室溫下，3532-50型RCL測(cè)試儀(HIOKI，精度160nF)和電容傳感器分別測(cè)量8個(gè)大小不同的瓷片電容，測(cè)量結(jié)果用于評(píng)估電容傳感器在室溫下的精度；但凍干實(shí)驗(yàn)是在高溫下進(jìn)行的，需要評(píng)估傳感器在高溫凍干箱內(nèi)的測(cè)量精度。市面上的電容普遍溫漂較高，無(wú)法應(yīng)用于檢驗(yàn)溫度對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響。為此，使用鐵板制作簡(jiǎn)易平板電容，電容外形較大但溫漂很小，適用于檢測(cè)溫度對(duì)傳感器的影響。據(jù)文獻(xiàn)介紹，多種果蔬凍干的最優(yōu)溫度在70℃左右。為此，將測(cè)量裝置放到凍干箱內(nèi)，在常溫與70℃下對(duì)不同平板電容進(jìn)行測(cè)量，評(píng)估系統(tǒng)在70℃的檢測(cè)精度。

1.5果蔬凍干實(shí)驗(yàn)

1.5.1實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)使用太谷本地富士蘋果和土豆作為實(shí)驗(yàn)材料。

1.5.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

所用到的儀器主要有：DW-40L92型立式低溫保存箱(青島海爾集團(tuán))，JDG-0.2型真空凍干試驗(yàn)機(jī)(蘭州科近真空凍干技術(shù)有限公司)，計(jì)算機(jī)(聯(lián)想集團(tuán)，G470系列)，凍干箱內(nèi)在線稱重天平(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)自制)，CP1502型電子天平(Ohaus Corporation，精度0.01g)。

1.5.3實(shí)驗(yàn)材料

不同溫度下，為檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同果蔬的測(cè)量可行性，本文在60、70、80℃下分別對(duì)蘋果和土豆進(jìn)行凍干實(shí)驗(yàn)。

蘋果或土豆切成20mm×20mm×10mm薄片，取10片為實(shí)驗(yàn)材料，任取一片插入探針內(nèi)，另外9片均勻放到稱重料盤中；將傳感器和料盤放入-40℃冰箱中，冷凍12h，以保證蘋果或土豆溫度降至其共晶點(diǎn)以下；開(kāi)啟凍干機(jī)冷阱并等待其溫度降至-40℃，將料盤和傳感器放進(jìn)凍干箱內(nèi)；設(shè)置真空度為40～45Pa，達(dá)到真空度后開(kāi)啟加熱板，初始溫度設(shè)置為40℃，每隔10min增加10℃，直到加熱板溫度設(shè)為預(yù)定干燥溫度；每隔2min計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄一次稱重料盤質(zhì)量和探針電容值，并畫質(zhì)量和電容分別隨時(shí)間變化曲線圖。

2結(jié)果與討論

2.1性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)

在室溫下，RCL測(cè)試儀和電容傳感器的測(cè)量結(jié)果如表1所示。其電容傳感器的相對(duì)誤差小于3%，說(shuō)明傳感器具有較高精度，能夠在室溫下精準(zhǔn)測(cè)量電容。

在室溫和70℃下，傳感器對(duì)平板電容的測(cè)量結(jié)果如表2所示。其相對(duì)誤差小于0.5%，說(shuō)明傳感器具有較好的溫度穩(wěn)定性，裝置能夠在凍干實(shí)驗(yàn)過(guò)程中精準(zhǔn)測(cè)量電容。

表1　常溫精度測(cè)量

表2　高溫精度測(cè)量

2.2果蔬凍干實(shí)驗(yàn)

物料水分含量有兩種表示方式：一種稱為濕基含水率ωwater，其數(shù)值小于100%；另一種成為干基含水率ωdry，其數(shù)值可以遠(yuǎn)大于100%。計(jì)算公式分別為

(3)

(4)

其中，mwater為物料中水的質(zhì)量，mdry為干物料的質(zhì)量。

物料相對(duì)介電常數(shù)與含水量直接相關(guān)，因此本文使用干基含水率表示水分含量。

根據(jù)電容計(jì)算相對(duì)介電常數(shù)的公式為

(5)

其中，Cmeasure為探針插入果蔬時(shí)電容值，Cno-load為空載時(shí)傳感器電容值。

蘋果和土豆在不同溫度的凍干試驗(yàn)中，相對(duì)介電常數(shù)隨時(shí)間變化如圖8所示。

圖8　不同溫度下蘋果和土豆相對(duì)介電常數(shù)隨時(shí)間變化曲線

實(shí)驗(yàn)中相對(duì)介電常數(shù)隨溫度上升而上升，蘋果和土豆分別在50min和110min左右達(dá)到最大值，土豆到達(dá)峰值更慢是因?yàn)橥炼贡忍O果細(xì)胞排列更緊密，造成加熱更慢引起的；在峰值之后，凍干箱內(nèi)溫度已經(jīng)穩(wěn)定，相對(duì)介電常數(shù)不受溫度影響，隨含水率下降而下降；當(dāng)果蔬干燥接近結(jié)束時(shí)，曲線都趨于平穩(wěn)。對(duì)于同一果蔬，在干燥初期，溫度越高相對(duì)介電常數(shù)上升越快、峰值越大；干燥結(jié)束時(shí)，溫度越高相對(duì)介電常數(shù)越大。

蘋果和土豆在不同溫度的凍干實(shí)驗(yàn)中，相對(duì)介電常數(shù)與含水率的關(guān)系分別如圖9、圖10所示。其中，60、70、80℃是凍干試驗(yàn)的最終干燥溫度。

在不同溫度下，對(duì)蘋果和土豆的相對(duì)介電常數(shù)與含水率之間進(jìn)行了線性擬合，擬合方程和相關(guān)系數(shù)分別顯示在各個(gè)圖像中。擬合結(jié)果表明：在各個(gè)溫度下，蘋果和土豆的相對(duì)介電常數(shù)與含水率之間都有極好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2>0.93，可以利用本系統(tǒng)基于相對(duì)介電常數(shù)實(shí)現(xiàn)果蔬含水率的測(cè)量。

圖9　不同溫度下蘋果含水率與相對(duì)介電常數(shù)擬合曲線

圖10　不同溫度下土豆含水率與相對(duì)介電常數(shù)擬合曲線

3結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee協(xié)議的含水率在線檢測(cè)系統(tǒng)，為評(píng)估該系統(tǒng)性能，進(jìn)行了室溫和高溫的電容測(cè)量實(shí)驗(yàn)。另外，利用土豆和蘋果的凍干實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)基于相對(duì)介電常數(shù)檢測(cè)含水率的方案可行性。

基于上述研究結(jié)果，結(jié)論如下：

1)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確在線檢測(cè)相對(duì)介電常數(shù)準(zhǔn)確檢測(cè)電容值，并且具有很好的溫度穩(wěn)定性。

2)基于相對(duì)介電常數(shù)監(jiān)測(cè)含水率的方案可行。通過(guò)蘋果和土豆的凍干實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，冷凍干燥過(guò)程中，果蔬的相對(duì)介電常數(shù)與含水率之間有很好的線性相關(guān)。

3)在冷凍干燥過(guò)程中，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)果蔬含水率，并準(zhǔn)確測(cè)量相對(duì)介電常數(shù)。根據(jù)已經(jīng)建立的含水率與相對(duì)介電常數(shù)的數(shù)學(xué)模型，可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)果蔬含水率，為果蔬凍干工藝優(yōu)化提供試驗(yàn)裝置。

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Abstract ID:1003-188X(2016)05-0092-EA

Design and Experiment of Wireless Online Device which Monitors Moisture of Fruit and Vegetable during Freeze Drying

Zhang Heling, Guo Yuming, Zhang Jianhua

(College of Engineering, Shanxi Agricultural University, Taigu 030800, China)

Abstract：Real-time monitoring of the moisture content of fruits and vegetables in vacuum freeze-drying process, this can provide technical support for the freeze-drying process monitoring and optimization. In order to investigate the way based on relative dielectric constant monitor the moisture content, this paper designed a wireless and real-time monitoring system which can realize relative dielectric constant acquisition, calculation and storage, it can also draw the change curve of the relative dielectric of material.The test uses apple and potato as test material to validate moisture content and relative dielectric constant has an illustrious linear correlation.Experiment has built correlation association models based on relative dielectric constant and moisture content.Therefore, moisture content of fruit and vegetables can be monitored based on its relative dielectric constant.

Key words：fruit and vegetable； freeze-drying moisture； relative dielectric constant； wireless monitoring devic

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0092-06

中圖分類號(hào)：S375

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：張鶴嶺(1987-),男，山東菏澤人，碩士研究生，(E-mail) zhl834@sina.com。通訊作者：郭玉明(1954-)，男，山西平定人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)guoyuming99@sina.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31171450)

收稿日期：2015-04-12